導(dǎo)言自90年代以來(lái)，中國(guó)在城市衛(wèi)生方面取得了顯著進(jìn)步。2017年市政污水處理能力達(dá)到49.2 x109立方米，在城市地區(qū)的覆蓋率達(dá)94.5％。去除營(yíng)養(yǎng)物（氮和磷）已經(jīng)在國(guó)家范圍內(nèi)依法實(shí)施。然而，許多市政污水處理廠面臨能量回收少，營(yíng)養(yǎng)物去除昂貴，污泥產(chǎn)量高等問題。下水道滲漏造成的中國(guó)市政污水獨(dú)特的水質(zhì)特征是市政污水處理廠效率低下的主要原因。最近，中國(guó)三部委頒布的題為《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案（2019—2021年）》文件強(qiáng)調(diào)了下水道修復(fù)在城市水環(huán)境衛(wèi)生與生態(tài)關(guān)鍵功能，標(biāo)志著中國(guó)城市水環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。考慮到下水道修復(fù)所涉及的繁重任務(wù)，所需的巨大投資和長(zhǎng)周期，采取具有成本效益的快速行動(dòng)以改善中國(guó)市政污水處理效率和可持續(xù)性，與下水道修復(fù)應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行。
方法中國(guó)、歐洲、美國(guó)和新加坡的污水處理廠能源回收基于使用厭氧消化（ad）和熱電聯(lián)產(chǎn)（chp），而中國(guó)相當(dāng)部分廠省略初級(jí)污泥沉降（ps），很少?gòu)S使用污泥厭氧消化(ad)，污泥的產(chǎn)生主要基于觀察微生物(剩余污泥)生長(zhǎng)量(系數(shù))和進(jìn)水無(wú)機(jī)懸浮固體(iss)積累。
結(jié)果和討論
市政廢水處理 – 可持續(xù)性
表1 顯示，不到5％的中國(guó)城市污水處理廠使用污泥厭氧消化，與歐洲、美國(guó)和新加坡相比，比例非常低，說(shuō)明通過(guò)污泥厭氧消化和熱電聯(lián)產(chǎn)（下稱ad-chp）途徑進(jìn)行的能量回收非常有限，盡管具有較長(zhǎng)污水處理傳統(tǒng)的國(guó)家很久之前已經(jīng)廣泛應(yīng)用ad-chp技術(shù)。舍棄使用污泥厭氧消化不僅導(dǎo)致污泥穩(wěn)定化問題，招致二次污染衛(wèi)生問題，還大大增加了污泥量（由于沒有污泥厭氧消化過(guò)程中vss破壞, 加上調(diào)理板框脫水添加石灰）增加了污泥處理、 處置和再利用的費(fèi)用和困難。
表1 | 在中國(guó)和其他國(guó)家/地區(qū)采用污泥厭氧消化的市政污水處理廠占比（％）為了達(dá)到嚴(yán)格的營(yíng)養(yǎng)物排放標(biāo)準(zhǔn)[如中國(guó)市政污水處理廠一級(jí)a排放標(biāo)準(zhǔn)，tn（總氮）<15mg-n/l，tp(總磷）< 0.5 mg-p/l，和在一些省份敏感地區(qū)實(shí)施的tn <10 mg-n/l，tp <0.3 mg-p/l], 盡管舍棄初級(jí)污泥沉降, 中國(guó)許多污水處理廠采用了外加碳源除氮(和磷)。從根本上講，這是由于進(jìn)水的低c/n比，因?yàn)閷?duì)于典型的污水，常規(guī)的生物脫氮工藝可以在不添加或添加少量碳的情況下實(shí)現(xiàn)出水tn <10-15 mg-n/l?，F(xiàn)今在一些廠中，化學(xué)藥品花費(fèi)僅次于電力, 排名第二。如果實(shí)行更嚴(yán)格的營(yíng)養(yǎng)物排放標(biāo)準(zhǔn)（例如tn <5 mg-n/l和tp < 0.1 mg-p/l）, 將給工廠運(yùn)營(yíng)和地方當(dāng)局帶來(lái)進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，此外，考慮初級(jí)能源的使用和相應(yīng)的溫室氣體排放，過(guò)量化學(xué)物質(zhì)添加對(duì)環(huán)境也是不可持續(xù)的。對(duì)中國(guó)江蘇南部部分污水處理廠的調(diào)查表明，當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)特性大致正常時(shí)，污水處理廠污泥產(chǎn)率接近0.48 kg/去除kg cod，而當(dāng)污水水質(zhì)特性異常，污泥產(chǎn)率接近0.69 kg/去除kg cod或甚至更高。在法國(guó)，39％的污水處理廠具有污泥厭氧消化 (表1)，其平均污泥產(chǎn)率為0.44 kg/去除kg cod。新加坡的污泥產(chǎn)率僅0.24 kg/去除kg cod，為中國(guó)的三分之一。新加坡所有市政污水處理廠采用污泥厭氧消化進(jìn)行能量回收，由此減少約35％的固體，雖然僅在個(gè)別活性污泥過(guò)程實(shí)行生物除磷。通過(guò)與法國(guó)和新加坡污水污泥產(chǎn)率相比，可以看出進(jìn)水中無(wú)機(jī)懸浮顆粒濃度以及厭氧污泥消化對(duì)污泥產(chǎn)率系數(shù)的影響，也說(shuō)明中國(guó)目前的市政污水廠污泥產(chǎn)量系數(shù)確實(shí)過(guò)高。
2016年和2017年中國(guó)年度市政污水處理cod去除量和污泥產(chǎn)量以及污泥的觀測(cè)產(chǎn)率系數(shù)污水處理廠低性能原因：獨(dú)特的污水水質(zhì)特性
污水水質(zhì)特性對(duì)于活性污泥和整個(gè)廠工藝的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。較早的一項(xiàng)對(duì)中國(guó)三個(gè)城市下水道系統(tǒng)進(jìn)行的滲漏比估算研究結(jié)果顯示，下水道系統(tǒng)滲漏導(dǎo)致了中國(guó)市政污水水質(zhì)的三個(gè)基本特征，即高無(wú)機(jī)懸浮固體濃度(iss)、低cod、低碳氮比。
盡管需有更多數(shù)據(jù)描述全國(guó)情況, 但初步調(diào)查顯示，在中國(guó)，即便在施工質(zhì)量及管理維護(hù)良好的下水道系統(tǒng)，某些地區(qū)的污水處理廠進(jìn)水vss/tss比在50％ – 70％的范圍，低于60-80％的正常范圍。文獻(xiàn)報(bào)告進(jìn)水低 cod / ss比(<1)和bod5/ss比(0.3-0.5)較低反映污水含高iss（砂質(zhì)、粉土和粘土等）, 表明國(guó)內(nèi)污水廠進(jìn)水“無(wú)機(jī)化”特性顯著。
進(jìn)水低cod導(dǎo)致活性污泥池低生物量（mlvss）濃度。進(jìn)水iss越高，混合液中的相對(duì)于去除單位cod的非揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)和污泥產(chǎn)量越高。這使得高效除砂在處理cod較低進(jìn)水時(shí)尤其至關(guān)重要。這里需要注意的是, 較低的進(jìn)水cod濃度并不意味著必須廢除污泥厭氧消化(參見下文), 盡管與進(jìn)水cod較高相比，能量回收的量可能會(huì)受到影響。中國(guó)城市污水處理廠的進(jìn)水c/n比在5.4-10.9之間，北京、上海和廣州污水處理廠的進(jìn)水碳氮比介于7.5（廣州）到8.8（北京）之間，平均8.0, 低于其他地方的典型范圍8到12。低c/n比率導(dǎo)致碳短缺, 尤其是面對(duì)高效生物脫氮時(shí)。此外, 鑒于潛在的高濃度惰性顆?；瘜W(xué)需氧量，與具有類似進(jìn)水的典型污水(較低比例的惰性顆粒cod)的活性污泥相比，反硝化效率和生物除磷效率可能進(jìn)一步減少。
在中國(guó)許多污水處理廠，由于進(jìn)水cod較低，為增加碳供應(yīng)，提高生物脫氮(反硝化)效率，省略了初沉池?？紤]初沉池去除30–40％進(jìn)水cod，省略初沉池情況下，則生物池的池容將增加約40％，同時(shí)二沉池表面積也須顯著增加，導(dǎo)致設(shè)施體積和水力停留時(shí)間增加，增加了建設(shè)成本。而由于引入了更多可生物降解的顆粒cod, 顆粒的水解速率成為反硝化效率能否提高的決定因素。由于水解和溫度的關(guān)系，夏季反硝化效率的提高是可能的, 但是冬季則未必，所以，省略初沉池的目的并不一定是可以實(shí)現(xiàn)的。污水廠因此需要全面詳細(xì)分析污水特征，測(cè)量在不同溫度范圍下硝酸鹽還原速率等，采用具有靈活性操作策略的的設(shè)計(jì)。
另一方面，為了滿足日趨嚴(yán)格的營(yíng)養(yǎng)物排放標(biāo)準(zhǔn)（例如，tn <10 mg-n/l），外加碳源被越來(lái)越普遍地實(shí)踐。以當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格粗略估計(jì), 一個(gè)100,000 m3/d的污水處理廠為購(gòu)買相當(dāng)于20 mg-hac/l醋酸（hac）, 每年花費(fèi)大約300萬(wàn)元人民幣（約45萬(wàn)美元）。購(gòu)買碳源和化學(xué)物質(zhì)正成為工廠運(yùn)營(yíng)沉重負(fù)擔(dān)。
潛在解決方案綜合污水水質(zhì)特征考慮市政污水處理廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行
面對(duì)中國(guó)獨(dú)特的污水水質(zhì)特征，污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)須綜合考慮當(dāng)?shù)氐奈鬯|(zhì)特征、排放要求、地理位置、處理能力，以及能源供給、化學(xué)藥品和污泥處置成本. 污水水質(zhì)特性在污水處理廠的工藝選擇和設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)生物工藝可能不適用于中國(guó)南部部分地區(qū)的低cod濃度進(jìn)水（例如，cod <100 mg-cod/l）處理, 而基于膜分離的工藝或sani工藝（硫酸鹽還原，自養(yǎng)反硝化和硝化）可能是適用的技術(shù)。省略初沉池利用可生物降解的顆粒cod提高反硝化效率在溫暖氣候條件下可能會(huì)實(shí)現(xiàn)，但在寒冷的地區(qū)則未必可行。能源回收應(yīng)在市政污水處理廠中得到足夠的關(guān)注。早在本世紀(jì)初，美國(guó)許多處理量超過(guò)100,000 m3/d的污水處理廠使用污泥厭氧消化就是經(jīng)濟(jì)可行的。最近幾年數(shù)據(jù)顯示，甚至處理量為20,000–40,000 m3/d的工廠使用污泥厭氧消化在經(jīng)濟(jì)上仍然有利。歐洲數(shù)據(jù)是處理量約或超過(guò)10,000 m3/d (50,000pe）廠使用污泥厭氧消化經(jīng)濟(jì)上是可行的。中國(guó)的條件與美國(guó)和歐洲有所不同，研究在當(dāng)?shù)貤l件和因素情況下市政污水處理廠應(yīng)用污泥厭氧消化經(jīng)濟(jì)可行性和必要性的迫切性是顯而易見的，包括能量回收與營(yíng)養(yǎng)物去除兩者之間的平衡和成本-效益分析。
建議措施鑒于下水道修復(fù)耗時(shí)長(zhǎng)久和當(dāng)前廣泛存在市政污水處理廠的狀態(tài)，需要找出具有成本效益的措施和解決方案并加以實(shí)施，制定整合了各方面因素的污水處理廠設(shè)計(jì)與運(yùn)行指南, 以提高污水處理廠的運(yùn)行績(jī)效。下面將談?wù)劯倪M(jìn)除砂池、污泥發(fā)酵、污泥厭氧消化和熱電回收的應(yīng)用。考慮到眾多效益和有限成本，所有污水處理廠，不管規(guī)模多大，提高砂粒去除效率都是值得去做的；而污泥發(fā)酵、污泥厭氧消化和熱電聯(lián)產(chǎn)的應(yīng)用可能適合處理能力相對(duì)較大的污水處理廠，并具有較高的進(jìn)水cod濃度。
以下是對(duì)改進(jìn)中國(guó)污水處理廠除砂行動(dòng)計(jì)劃有關(guān)的建議：
- 對(duì)城市污水處理廠污水中和混合液中的揮發(fā)性固體成分進(jìn)行廣泛調(diào)查；測(cè)量和估算每種類型除砂單元的除砂性能；
- 通過(guò)提高除砂裝置的效率來(lái)減少過(guò)程中的iss積累；通過(guò)提高除砂效率使混合液中的揮發(fā)性固體成分增加約10％.將小型污水處理廠的混合液中的揮發(fā)性固體成分的目標(biāo)設(shè)置為55-60％，中大型污水處理廠(≥50,000m3/d）為60 – 65%。
污泥發(fā)酵 最大限度地利用污水中的cod應(yīng)該是解決生物脫氮工藝中碳短缺問題的首要途徑。在充分利用易生物降解的可溶性cod方面, 可以參考蘇黎世污水處理廠。在充分利用可生物降解的固體cod方面，初沉污泥發(fā)酵是一種被廣泛應(yīng)用的技術(shù)。圖1顯示了中國(guó)某地生產(chǎn)規(guī)模污水廠的初沉污泥發(fā)酵數(shù)據(jù), 平均增加40 mg-vfa/l揮發(fā)性脂肪酸(vfa)。同時(shí)，利用回流活性污泥（和在線混合液）發(fā)酵技術(shù)改善脫氮除磷效果已在丹麥、瑞典和美國(guó)等國(guó)家得到廣泛驗(yàn)證。中國(guó)已經(jīng)有初沉和回流污泥發(fā)酵的工程實(shí)例, 但缺乏長(zhǎng)期成功運(yùn)營(yíng)報(bào)告, 因此, 影響了污泥發(fā)酵技術(shù)的廣泛應(yīng)用。忽視足夠長(zhǎng)的詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)工程研究的必要性可能是原因之一。
圖1 | 生產(chǎn)規(guī)模初級(jí)污泥發(fā)酵中的vfa進(jìn)出，顯示平均增加40 mg-vfa/l [vfa出 -vfa入]，溫度16–18°c，nh4-n和磷的凈釋放量分別為2mg/l和1mg/l。低碳要求的營(yíng)養(yǎng)物去除工藝可以考慮采用像bcfs（生物化學(xué)除磷和除氮）、sani (綜合硫酸鹽還原，自養(yǎng)反硝化和硝化)和mabr（膜曝氣生物反應(yīng)器）等可在低碳情況下去除營(yíng)養(yǎng)物的工藝。bcfs和mabr已被行業(yè)規(guī)模應(yīng)用，sani處于中試規(guī)模，應(yīng)用仍然有待工程尺度驗(yàn)證。為了在中國(guó)其他地方實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，最近報(bào)告的西安第四藥廠污水處理廠部分硝化和厭氧氨氧化去除氮值得進(jìn)一步研究。
未來(lái)展望增加能量回收 對(duì)于那些具有適當(dāng)處理能力和較高進(jìn)水cod（例如 > 300 mg / l）的污水處理廠，污泥混合液揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)是應(yīng)用污泥厭氧消化的關(guān)鍵。相對(duì)于初始混合液揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)55％，揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)增加10％可以使沼氣產(chǎn)量增長(zhǎng)20％。同時(shí)，顯著減少了金屬材料磨損和管道堵塞，大大消除了技術(shù)上應(yīng)用污泥厭氧消化的障礙。通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)從污泥厭氧消化回收的電能可為污水處理廠節(jié)省30％的運(yùn)營(yíng)所需電力。上海白龍港污水處理廠(處理量2, 000, 000 m3/d)進(jìn)水cod濃度約為250 mg/l，蘇黎世污水處理廠初沉污水cod濃度約為250 mg/l，兩個(gè)廠都使用污泥厭氧消化用于能量回收。中國(guó)大約一半的市政污水由處理量超過(guò)100, 000 m3/d的工廠處理，即使這些大型污水處理廠中只有一半應(yīng)用了污泥厭氧消化來(lái)做能量回收，其對(duì)污水處理廠運(yùn)行效率都會(huì)有很大的提高。對(duì)于較小的污水處理廠，脫水污泥可以送到大型污泥工廠或區(qū)域污泥處理中心進(jìn)行能量回收。 減少碳支出目標(biāo)是通過(guò)污泥發(fā)酵獲得凈25 mg-cod/ l。這相當(dāng)于最終出水硝態(tài)氮濃度降低了約5 mg-n/l，有助于實(shí)現(xiàn)在幾乎不外加碳源或添加少量碳的情況下實(shí)現(xiàn)出水總氮濃度少于10 mg-n / l。 減少污泥量通過(guò)增進(jìn)進(jìn)水沙礫去除，提高10%進(jìn)水vss/tss分?jǐn)?shù)，可將污泥產(chǎn)量減少約20%。結(jié)合污泥這意味著如果在約一半的污水處理廠實(shí)現(xiàn)了iss減少并應(yīng)用污泥厭氧消化，則全國(guó)范圍內(nèi)污泥產(chǎn)生量可能減少約25%。連同能量回收的增加，以及購(gòu)買化學(xué)品成本的減少，落實(shí)降低iss并應(yīng)用污泥厭氧消化將在很大程度改善污水處理廠的可持續(xù)性。加強(qiáng)結(jié)果導(dǎo)向的應(yīng)用研究強(qiáng)大的研發(fā)能力對(duì)于去除市政廢水處理瓶頸并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性目標(biāo)而言必不可少。污水廠從開始就需要制定詳細(xì)可行的研究計(jì)劃。過(guò)程效率優(yōu)化、控制、維護(hù)等只能在現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行。污水特性，尤其是難生物降解的顆粒cod百分率、 降解速率和硝酸鹽還原速率等指標(biāo)上的測(cè)試，將有助于從技術(shù)上確定是否需要初沉池，生化揮發(fā)物脂肪酸潛力（bvfap）測(cè)試將用以評(píng)估初級(jí)和活性污泥發(fā)酵的可行性。最近幾年中國(guó)在水科學(xué)研究方面取得了很大的進(jìn)步，但一般來(lái)說(shuō)，針對(duì)實(shí)際條件下的過(guò)程設(shè)計(jì)，對(duì)市政污水處理現(xiàn)實(shí)問題的研究似乎相對(duì)薄弱?，F(xiàn)在正是時(shí)候進(jìn)一步加強(qiáng)可持續(xù)的市政污水處理應(yīng)用研究。
結(jié)束語(yǔ)自90年代以來(lái)，中國(guó)在城市衛(wèi)生工程方面取得了顯著進(jìn)步。但是，市政污水處理仍然面臨著低效率的能量回收、高營(yíng)養(yǎng)物去除成本和高污泥量問題。這些難題源于獨(dú)特的污水水質(zhì)特性: 高iss、低cod和低碳氮比。曹業(yè)始博士團(tuán)隊(duì)的研究揭示了污水水質(zhì)特性和市政污水處理廠的低效率表現(xiàn)之間的因果關(guān)系。提出需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)特性進(jìn)行污水處理廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。鑒于下水道修復(fù)工作耗時(shí)長(zhǎng)久, 污水處理廠的可持續(xù)性改進(jìn)可以與下水道修復(fù)并行。為此需選擇具有成本效益的措施和解決方案，以便迅速采取行動(dòng)。這項(xiàng)研究提出了高效除砂，污泥發(fā)酵和應(yīng)用低碳生物脫氮工藝，并估算了實(shí)施這些技術(shù)可能帶來(lái)的收益。同時(shí)，研究強(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)以結(jié)果導(dǎo)向的市政污水處理應(yīng)用研究的必要性。
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